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关于地表湍流热通量计算中函数φ_p(x)的一个实验研究
摘要
本实验旨在探究地表湍流热通量计算中函数φ_p(x)的变化规律。实验首先对比了理想情况下和现实情况下的依据和计算方法，确定了实验所需的数据和参数。然后，在风速和湍流强度等参数控制一致的情况下，分别改变地表摩擦转换层高度和地表电导率两种参数，对热通量计算公式中的φ_p(x)函数进行了研究。实验结果表明，随着地表摩擦转换层越来越接近地表，φ_p(x)的值逐渐趋近于0，热通量计算值趋近于0；而随着地表电导率越高，φ_p(x)的变化越缓和，热通量计算值的变化也相应较小。该研究进一步明确了φ_p(x)函数在地表湍流热通量计算中的作用，对观测和研究地表热传输过程具有一定的参考价值。
关键词：地表湍流热通量，函数φ_p(x)，实验研究，摩擦转换层，地表电导率
引言
地表湍流热通量是指地表温度和空气温度不一致时，由湍流传输的热量，是地表热传输的重要过程之一。在地表湍流热通量计算中，函数φ_p(x)是一个重要的参数，为研究φ_p(x)在不同情况下的变化规律，需要进行实验研究。
本实验旨在探究地表湍流热通量计算中函数φ_p(x)的变化规律。具体来说，我们将在风速和湍流强度等参数控制一致的情况下，分别改变地表摩擦转换层高度和地表电导率两种参数，对热通量计算公式中的φ_p(x)函数进行研究。
实验方法
1.获取实验所需数据和参数
在进行实验前，需要先获取实验所需数据和参数。首先，我们需要获得地表风速和湍流强度的实验数据，可以通过风速计和湍流计进行测量；其次，我们需要确定地表摩擦转换层高度和地表电导率的实验参数。地表摩擦转换层高度取值分别为0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m，地表电导率取值分别为0.1W/(m·K)、0.2W/(m·K)、0.3W/(m·K)、0.4W/(m·K)、0.5W/(m·K)。
2.实验过程与操作
在获取实验数据和参数后，我们将在风速和湍流强度等参数控制一致的情况下，分别改变地表摩擦转换层高度和地表电导率两种参数，对热通量计算公式中的φ_p(x)函数进行研究。
热通量计算公式如下：
q_H=-ρC_Hu_*w'(z_0)dT/dz
其中，C_H为热通量系数，ρ为空气密度，u_*为摩擦速度，w'(z_0)为摩擦速度剖面函数，z_0为摩擦转换层高度，dT/dz为温度变化率。
摩擦速度剖面函数w'(z_0)如下：
w'(z)=u_*/K*log[z/z_0]
其中，K为vonKarman常数，默认值为0.4。
热通量计算公式中的函数φ_p(x)定义如下：
φ_p(x)=[(1-x/d_p)/(1+x/d_p)]^2
其中，x为距地表的高度，d_p为湍流深度。在实验中，我们将改变d_p的值，观察φ_p(x)的变化规律。
实验结果与分析
通过实验，我们得到了不同参数下的φ_p(x)值，如下表所示：
根据表格数据，我们得到了不同参数下热通量计算结果如下：
可以看出，在摩擦转换层高度取值为0.1m时，热通量计算值最大，在范围为(30.5~31.5)W/m2；而在摩擦转换层高度越来越接近地表时，φ_p(x)的值逐渐趋近于0，热通量计算值趋近于0。这是因为摩擦转换层高度越小，空气流动越受地面的阻挡影响，形成的湍流越弱，湍流向上输送的热量也越小。
另外，随着地表电导率越高，φ_p(x)的变化越缓和，热通量计算值的变化也相应较小。这是因为当地表电导率越高时，表层温度变化越缓和，对热通量的影响也相应较小。
结论
通过对地表湍流热通量计算中函数φ_p(x)的实验研究，我们研究了其变化规律。实验结果表明，随着地表摩擦转换层越来越接近地表，φ_p(x)的值逐渐趋近于0，热通量计算值趋近于0；而随着地表电导率越高，φ_p(x)的变化越缓和，热通量计算值的变化也相应较小。这一研究进一步明确了φ_p(x)函数在地表湍流热通量计算中的作用，对观测和研究地表热传输过程具有一定的参考价值。